Ihmiset | Tutkimus | Uudet professorit

Professori Humeyra Caglayan tutkii täysin optista ajanottoa ERC-apurahalla

Julkaistu 24.1.2023

Tampereen yliopisto

Äskettäin professoriksi nimitettyä Humeyra Caglayania kiinnostaa kehittää ennennäkemättömiä laitteita. Hänen tutkimusryhmänsä kehittämät metalaitteet muuttavat tapaa käyttää teknologiaa arjessamme. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto

Hiljattain Tampereen yliopiston fysiikan professoriksi nimitetylle Humeyra Caglayanille on myönnetty Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) Proof of Concept -apuraha. TIMEKEEPER-projektissa Caglayan ja hänen tutkimusryhmänsä tutkivat eksoottisten materiaalien avulla tapahtuvaa täysin optista ajanottoa. ERC:n myöntämän apurahan määrä on 150 000 euroa.

Lapsesta asti professori Humeyra Caglayania on kiinnostanut tietää, miten asiat toimivat luonnossa. Tutkijana hän haluaa kehittää metaoptiikkaa, jonka perustana ovat metamateriaalit sekä valo.

– Kaikki fysiikan osa-alueet kiehtovat minua, mutta eniten on hämmästyttänyt valo. Olen vuosien mittaan pyrkinyt fyysikkona ymmärtämään, miten asiat toimivat ja miten voimme selittää erityisesti valoon perustuvia ilmiöitä, Caglayan kertoo.

Keskeistä hänen työssään on metamateriaalien suunnittelu, optimointi, valmistus ja testaus metalaitteiden soveltamiseen kuvantamisessa tai viestinnässä. Tarkoituksena on kehittää laitteita, jotka ovat tehokkaampia, toimivampia ja kuluttavat vähemmän energiaa.

Metamateriaalit mahdollistavat tehokkaamman ajanoton

TIMEKEEPER – All-optical time-interpolation with Epsilon-Near-Zero Metamaterials -tutkimusprojektissa Caglayan tutkii täysin optista ajanottoa varten materiaaleja, joita on vahvistettu metapinnalla. Kun ihmisten keinot synkronoida useita tapahtumia yhä tarkemmin ovat kehittyneet, voidaan ratkaista yhä monimutkaisempia tehtäviä.

– Esimerkiksi orkesterin kapellimestari voi ohjata kymmeniä muusikoita synkronoidusti kymmenien millisekuntien tarkkuudella, optimoiden samalla yhden maailman arvostetuimmista taidemuodoista. Nykytekniikalla on kuitenkin pyrittävä saavuttamaan parempi ajallinen tarkkuus femtosekuntien (fs) ja jopa attosekuntien (as) mittakaavassa sekä vähennettävä aikaviivästymää mahdollisimman laajalti, Caglayan selittää.

Projektissa sovelletaan uusia metapinnalla vahvistettuja materiaaleja ajanottoon. Tutkimusryhmä kehittää optisen ajanmittauslaitteiston, jossa teho ja spektri ovat optimoituja, ja näissä olosuhteissa koko järjestelmä toimii kompaktina laitteena.

– Kehitämme metalaitteen, teemme markkina-analyysin ja toteutamme arvonluonnin tiimini kanssa. Teemme yhteistyötä markkinointitiimimme kanssa laitteen kaupallistamiseksi, Caglayan lisää.

Metaplasmoniikan tutkimusryhmän jäsenet vasemmalta: Alessandro Pianelli, Anika Anu, Dipa Ghindani, Humeyra Caglayan, Jesse Pietilä, Arttu Nieminen, Rakesh Dhama, Carlos Rodriguez Fernandez ja Ipek Anil Atalay. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto

Viime aikoina Caglayanin johtama Metaplasmoniikan tutkimusryhmä on kehittänyt metaoptiikkaa myös kuvantamissovelluksiin. Eräs ryhmän tavoitteista on kehittää tehokkaita ja hyvin ohuita linssejä esimerkiksi mobiililaitteiden kameroihin.

Toinenkin ryhmän projekti perustuu metamateriaaleihin, mutta siinä keskitytään kvanttioptiikkaan. Tavoitteena on kehittää ympäristö, jossa kvanttiviestintä onnistuisi myös huoneenlämmössä. Tällä hetkellä se vaatii jäähdytetyt olosuhteet.

Tiedonjano ohjaa eteenpäin

Caglayan nimitettiin marraskuussa 2022 Tampereen yliopiston kaikkiaan toiseksi fysiikan professoriksi naissukupuolen edustajana.

– Toivon, että tämä professuuri antaa minulle enemmän liikkumavaraa oppiakseni aloista, joilta minulla ei ole paljon kokemusta. Näin voin sisällyttää projekteihimme uutta tietoa ja edistää uusia tutkimusalueita tämänhetkisillä osaamisellamme, Caglayan sanoo.

Yksi esimerkki on metaoptiikan kehittäminen biolääketieteellisen mikroskopian tarkoituksiin. Tällä uudella mikroskopialla voidaan tuottaa korkealaatuisia, reaaliajassa kolmiulotteisia olevia kuvia yhdellä otolla ilman, että näyte altistuu valolle liian pitkään.

Työura metamateriaalien ja fotoniikan parissa

Caglayan väitteli tohtoriksi sovelletun fysiikan alalta vuonna 2010 Bilkentin yliopistossa Ankarassa, Turkissa. Sen jälkeen hän muutti perheensä kanssa Yhdysvaltoihin, jossa hän suoritti post doc -opintonsa Pennsylvanian yliopistossa (UPENN). Siitä lähtien hän on työskennellyt metamateriaalien ja plasmonisten laitteiden parissa.

Caglayan aloitti Tampereen teknillisessä yliopistossa vuonna 2017 tenure track -tutkijana fotoniikan laitoksella. Tampereen yliopistojen yhdistyessä hän siirtyi urallaan eteen päin saatuaan ylennyksen apulaisprofessoriksi fotoniikkaan erikoistuneessa yksikössä fysiikan laitoksella.

Euroopan tutkimusneuvoston apuraha tekniikan hienosäätöön

TIMEKEEPER-hanketta rahoittaa 18 kuukauden ajan Euroopan tutkimusneuvosto (ERC), joka myöntää rahoitusta huippututkijoille korkeatasoiseen ja uraauurtavaan tutkimukseen. ERC:n Proof of Concept -apuraha voidaan myöntää vain henkilöille, joilla on tällä hetkellä tai jotka ovat äskettäin saaneet ERC:n apurahan ja jotka haluavat tutkia ERC:n rahoittaman tutkimuksensa kaupallista tai yhteiskunnallista potentiaalia. Rahoitus on osa EU:n tutkimus- ja innovaatio-ohjelmaa Horisontti Eurooppa.

ERC-rahoitusta on myönnetty kaikkiaan 15 Tampereen yliopiston tutkijalle vuodesta 2015.

Caglayan sai vuonna 2018 ERC:n Starting Grant -apurahan aQUARiUM-tutkimusprojektiaan (QUAntum nanophotonics in Rolled-Up Metamaterials) varten. Projekti jatkuu vuoden 2023 loppuun.

Lue lisää Caglayanin tutkimustyöstä fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaivahankkeen (PREIN) verkkosivuilta. PREIN on Suomen Akatemian rahoittama valoon perustuvien teknologioiden monipuolinen yhteistyöverkosto tieteelle, teollisuudelle ja yhteiskunnalle.